单片机:第五篇 一个简单的基础通信协议的设计与实现

本文最后更新于:1 个月前

不同设备之间的通信,都需要设计自己的通信协议。为了保证设备与设备之间的数据的稳定传输,通信协议的设计需要考虑很多的问题。当然应对不同的应用场景,可以有针对性的设计不同的通信协议。

一种常见的通信协议格式

这是一种我们比较常见的通信协议格式

帧头部 地址位 功能位 帧序号 数据长度 数据内容 校验位 帧尾
1/2字节 1字节 1字节 1字节 1字节 n字节 1字节 1/2字节

而为了应对不同的情况,可以依照情况做删改,例如减少帧头和帧尾,减少帧序号等等。

而本篇实现的通信协议如下,这里将几个部分都做了,实际中可能并不需要这么冗余的帧,可以按需求适当删改:

地址位 功能位 帧序号 数据长度 数据内容 校验位
1字节 1字节 1字节 1字节 n字节 1字节

本篇例程使用的开发板是STM32F103VET6,应用工具是MDK-ARM v5.33STM32CubeMX V6.1.1
注:STM32CubeMX需要安装JAVA环境(JRE)

搭建串口收发环境

参考:https://blog.csdn.net/u014470361/article/details/79206352#comments
使用串口1,DMA方式收发数据

注:DMA,全称为:Direct Memory Access,即直接存储器访问。DMA 传输方式无需 CPU 直接控制传输,也没有中断处理方式那样保留现场和恢复现场的过程,通过硬件为 RAM 与 I/O 设备开辟一条直接传送数据的通路,能使 CPU 的效率大为提高。

配置STM32CubeMX

打开STM32CubeMX,File->New Project->Start Project

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RCC->打开外部时钟

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USART1->Asynchronous 异步通信

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下面NVIC Settings->Enabled 使能串口中断

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还是下面DMA Setthing->ADD->USART1_RX/USART_TX->Priority 使能DMA收发模式,高优先级

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SYS->Dubug-Serial Wire 启用调试引脚,因为我使用ST-Link进行调试,不使能调试引脚的话没法调试。

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上面的Clock Configuration时钟配置可以忽略,使用默认8MHz即可,然后是第三个选项Project Manager->Project Name设置工程名->Project Location设置工程路径,然后选择IDE->MDK-ARM
注意工程名和路径都不要出现中文字符

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最后点击GENERATE CODE生成工程文件,如果失败的话,可以尝试更换JAVA环境。

添加USART部分代码

在main.h宏定义一个最大接收字节数1024

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#define UART_RX_LEN 1024

打开工程,并在main.c中添加部分代码

定义接收数组,接收数据长度以及标识。UART_RX_STA的0-14位存储数据长度,第15位表示接收状态。

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/* USER CODE BEGIN PV */
uint8_t UART_RX_BUF[UART_RX_LEN];
__IO uint16_t UART_RX_STA;
/* USER CODE END PV */

注意位置DMA初始化需在MX_USART1_UART_Init();串口初始化之后。

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/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, UART_RX_BUF, UART_RX_LEN); // 启动DMA接收
__HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_IDLE); // 使能空闲中断
/* USER CODE END 2 */

在while循环中添加DMA发送指令,将接收到的数据发送回去

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if(UART_RX_STA & 0X8000)
{
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, UART_RX_BUF, UART_RX_STA & 0X7FFF); // 将接收到的数据发送回去
UART_RX_STA = 0;
}
/* USER CODE END WHILE */

打开stm32f1xx_it.c文件添加代码

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/* USER CODE BEGIN PD */
extern uint8_t UART_RX_BUF[UART_RX_LEN];
extern __IO uint16_t UART_RX_STA;
/* USER CODE END PD */

拉到底,找到USART1中断。修改如下

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void USART1_IRQHandler(void)
{
/* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 0 */
if(__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1, UART_FLAG_IDLE) != RESET&&(UART_RX_STA&0x8000==0)) // 空闲中断标记被置位,并且拆包完成
{
__HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&huart1); // 清楚中断标记
HAL_UART_DMAStop(&huart1); // 停止DMA接收
UART_RX_STA = UART_RX_LEN - __HAL_DMA_GET_COUNTER(huart1.hdmarx); // 总数据量减去未接收到的数据量为已经接收到的数据量
UART_RX_BUF[UART_RX_STA] = 0; // 添加结束符
UART_RX_STA |= 0X8000; // 标记接收结束
HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, UART_RX_BUF, UART_RX_LEN); // 重新启动DMA接收
}
/* USER CODE END USART1_IRQn 0 */
HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
/* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 1 */

/* USER CODE END USART1_IRQn 1 */
}

编译->生成->- 0 Error(s), 0 Warning(s).下载,烧录,打开串口调试助手->波特率115200->随便发送几个字节,查看接收
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到此,一个基本的串口DMA收发环境就搭建好了。下面就是通信协议的内容了。

通信协议的实现

新建一个protocol.h文件

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#ifndef PROTOCOL_H
#define PROTOCOL_H
#include "main.h"

#define MY_ADDRESS 1 //本机地址

//校验方式宏定义
#define M_FRAME_CHECK_SUM 0 //校验和
#define M_FRAME_CHECK_XOR 1 //异或校验
#define M_FRAME_CHECK_CRC8 2 //CRC8校验
#define M_FRAME_CHECK_CRC16 3 //CRC16校验

//返回结果:错误类型定义
typedef enum
{
MR_OK=0, //正常
MR_FRAME_FORMAT_ERR = 1, //帧格式错误
MR_FRAME_CHECK_ERR = 2, //校验值错位
MR_FUNC_ERR = 3, //内存错误
MR_TIMEOUT = 4, //通信超时
}m_result;

//帧格式定义
__packed typedef struct
{
//u8 head[2]; //帧头
u8 address; //设备地址:1~255
u8 function; //功能码,0~255
u8 count; //帧编号
u8 datalen; //有效数据长度
u8 data[UART_RX_LEN]; //数据存储区
u16 chkval; //校验值
//u8 tail; //帧尾
}m_frame_typedef;

extern m_protocol_dev_typedef m_ctrl_dev; //定义帧
extern u8 COUNT; //数据帧计数器

void my_packsend_frame(m_frame_typedef *fx);
m_result my_unpack_frame(m_frame_typedef *fx);
m_result my_deal_frame(m_frame_typedef *fx);

void My_Func_1(void); //功能码1

#endif

再建一个protocol.c文件

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#include "main.h"

uint8_t COUNT; //数据帧计数器

extern UART_HandleTypeDef huart1;

uint8_t checkmode=M_FRAME_CHECK_SUM; //定义校验方式

extern uint8_t UART_RX_BUF[UART_RX_LEN];
extern __IO uint16_t UART_RX_STA;

//拆包一帧数据
//将数据分别解析到结构体中,
//这样在后面处理的时候就可以非常方便的解析各个有效数据
m_result my_unpack_frame(m_frame_typedef *fx)
{
uint16_t rxchkval=0; //接收到的校验值
uint16_t calchkval=0; //计算得到的校验值
uint8_t datalen=0; //有效数据长度
datalen=UART_RX_STA & 0X7FFF;

if(datalen<5) //当帧长度小于5的时候(地址1位,功能码1位,帧序号1位,数据长度1位,校验码1位)认为这一帧数据有问题,直接返回帧格式错误。
{
UART_RX_STA=0;
return MR_FRAME_FORMAT_ERR;
}
switch(checkmode)
{
case M_FRAME_CHECK_SUM: //校验和
calchkval=mc_check_sum(UART_RX_BUF,datalen-1);
rxchkval=UART_RX_BUF[datalen-1];
break;
case M_FRAME_CHECK_XOR: //异或校验
calchkval=mc_check_xor(UART_RX_BUF,datalen-1);
rxchkval=UART_RX_BUF[datalen-1];
break;
case M_FRAME_CHECK_CRC8: //CRC8校验
calchkval=mc_check_crc8(UART_RX_BUF,datalen-1);
rxchkval=UART_RX_BUF[datalen-1];
break;
case M_FRAME_CHECK_CRC16: //CRC16校验
calchkval=mc_check_crc16(UART_RX_BUF,datalen-2);
rxchkval=((uint16_t)UART_RX_BUF[datalen-2]<<8)+UART_RX_BUF[datalen-1];
break;
}

if(calchkval==rxchkval) //校验正常
{
fx->address=UART_RX_BUF[0];
fx->function=UART_RX_BUF[1];
fx->count=UART_RX_BUF[2];
fx->datalen=UART_RX_BUF[3];
if(fx->datalen)
{
for(datalen=0;datalen<fx->datalen;datalen++)
{
fx->data[datalen]=UART_RX_BUF[4+datalen]; //拷贝数据
}
}
fx->chkval=rxchkval; //记录校验值
}else
{
UART_RX_STA=0;
return MR_FRAME_CHECK_ERR;
}
UART_RX_STA=0; //应当在拆包完成之后再清楚标志位
return MR_OK;
}

//打包一帧数据,并发送
//fx:指向需要打包的帧
void my_packsend_frame(m_frame_typedef *fx)
{
uint16_t i;
uint16_t calchkval=0; //计算得到的校验值
uint16_t framelen=0; //打包后的帧长度
uint8_t sendbuf[UART_RX_LEN]; //发送缓冲区

if(checkmode==M_FRAME_CHECK_CRC16)framelen=6+fx->datalen;
else framelen=5+fx->datalen;
sendbuf[0]=fx->address;
sendbuf[1]=fx->function;
sendbuf[2]=fx->count;
sendbuf[3]=fx->datalen;
for(i=0;i<fx->datalen;i++)
{
sendbuf[4+i]=fx->data[i];
}
switch(checkmode)
{
case M_FRAME_CHECK_SUM: //校验和
calchkval=mc_check_sum(sendbuf,fx->datalen+4);
break;
case M_FRAME_CHECK_XOR: //异或校验
calchkval=mc_check_xor(sendbuf,fx->datalen+4);
break;
case M_FRAME_CHECK_CRC8: //CRC8校验
calchkval=mc_check_crc8(sendbuf,fx->datalen+4);
break;
case M_FRAME_CHECK_CRC16: //CRC16校验
calchkval=mc_check_crc16(sendbuf,fx->datalen+4);
break;
}

if(checkmode==M_FRAME_CHECK_CRC16) //如果是CRC16,则有2个字节的CRC
{
sendbuf[4+fx->datalen]=(calchkval>>8)&0XFF; //高字节在前
sendbuf[5+fx->datalen]=calchkval&0XFF; //低字节在后
}else sendbuf[4+fx->datalen]=calchkval&0XFF;
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, sendbuf, framelen); //DMA发送这一帧数据
}

m_result my_deal_frame(m_frame_typedef *fx)
{
if(fx->address == MY_ADDRESS)
{
switch(fx->function)
{
case 1:
{
My_Func_1();
}break;
case 2:
{
//My_Func_2(fx);
}break;
case 3:
{
//My_Func_3(fx);
}break;
case 4:
{
//My_Func_4(fx);
}break;
case 5:
{
//My_Func_5(fx);
}break;
case 6:
{
//My_Func_6(fx);
}break;
case 7:
{
//My_Func_7(fx);
}break;
case 8:
{
//My_Func_8(fx);
}break;
default:
return MR_FUNC_ERR;
}
}return MR_OK;
}

void My_Func_1(void)
{
m_frame_typedef txbuff;
txbuff.address=MY_ADDRESS; //放入地址码
txbuff.function=1; //功能码返回
txbuff.count=(COUNT++)%255; //帧序号加一
txbuff.datalen=3; //随便发送3位数据
txbuff.data[0]=0x01;
txbuff.data[1]=0x02;
txbuff.data[2]=0x03;
my_packsend_frame(&txbuff); //将数据打包并发送
}


然后和校验、或校验、CRC8和CRC16校验的代码就不贴了,可以点击本文末尾的链接查看。

最后打开main.c将void main函数修改如下:

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int main(void)
{
/* USER CODE BEGIN 1 */
m_frame_typedef fx;
m_result res;
/* USER CODE END 1 */

/* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
HAL_Init();

/* USER CODE BEGIN Init */

/* USER CODE END Init */

/* Configure the system clock */
SystemClock_Config();

/* USER CODE BEGIN SysInit */

/* USER CODE END SysInit */

/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
MX_DMA_Init();
MX_USART1_UART_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, UART_RX_BUF, UART_RX_LEN); // 启动DMA接收
__HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_IDLE); // 使能空闲中断
/* USER CODE END 2 */

/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
if(UART_RX_STA & 0X8000) //是否接收到数据
{
res=my_unpack_frame(&fx); //拆解一帧数据
if(res==MR_OK) //拆解完成
{
my_deal_frame(&fx); //解析这帧数据
}
UART_RX_STA = 0; //清空标志和长度
}
/* USER CODE END WHILE */

/* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */
}

可以编译运行一下,如果有错误可以查看一下头文件是否完整,左侧是否将你的新文件添加进来了。还有记得在main.h的适当位置include你的protocol.h和check.h文件。

最后的运行结果就是这个样子的->(勾选16进制发送与接收)
再编辑一条0x01的功能码命令,例如
| 地址位 |功能位 | 帧序号 | 数据长度 | 数据内容 | 校验位 |
| :—-: |:—-: | :—-: |:—-: | :—-: | :—-: |
| 01 | 01 | 01 | 01 |00 |04 |

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一个简易的通信协议的设计就完成了,一般需要注意以下几个点,就是一般接收到一帧数据之后,将数据的各个部分都分别拆解到结构体中,这样可以非常方便的做后面的处理,同样打包一帧数据也是如此,只需要将结构体的各个部分写好,然后将数据帧结构体提交给发送函数就可以了,基本的思路就是这样的。

我将整个工程贴在Github上,可以点击这里查看:USART1

如果有啥错误或不合理之处,请在评论区指出。